一种多功能光伏发电系统的可行性研究

渠满，职更辰，屈国建

（1.上海海事大学商船学院，上海 201306；2.浙江中控流体技术有限公司，浙江杭州 310053）

随着全球能源危机和环境污染问题的日益严重，开发利用清洁的可再生能源势在必行。光伏发电作为一种新的电能生产方式，以其无污染、无噪音、维护简单等特点显示出无比广阔的发展空间和应用前景，是最具潜力的能源开发领域，具有以下优点：1）来源免费，与其他形式的可再生能源相比，太阳能是来源最丰富且最稳定的能源[1]；2）太阳能发电系统易运输、安装，建设周期短；3）运行维护简单，光伏系统只需要周期性检查和少量维护工作；4）太阳能是清洁的可再生能源[2]，在开发利用时，不会产生废渣、废水、废气、也不会产生噪音和振动，是理想的清洁能源。我国具有丰富的太阳能资源，我国总面积2/3以上的地区年平均日照时数在2000 h以上，年平均日辐射量在4000 MJ/m2以上，目前,中国太阳能利用产品已形成千亿元规模的产业[3]。

尽管光伏发电有许多的优点，但还是存在一些急需解决的问题，例如：太阳能电池的峰值功率会随着温度的升高而降低，而太阳能电池只有在高光强下工作，才会有较高的转换效率。因此设计一套合理的散热系统对提高发电效率，延长使用寿命起到十分重要的作用。传统的冷却方式虽然降低了光伏组件的效率，但是却将组件产生的热量白白浪费掉了。针对这个问题，本文提出一种两全其美的解决方案，即在光伏组件的背面连接一个热电转换模块，形成一个光伏—热电（PV-TE）混合模型。热电转换模块将光伏组件产生的废热在温差的作用下重新转换成电能，从而既降低了光伏组件的温度提高了转换效率又产生了额外的电能。

1 多功能光伏发电系统的组成及工作原理

1.1 多功能光伏发电系统的基本组成

本文讨论的多功能光伏发电系统主要由抛物型双面聚光板、光伏组件、热电转换模块、导线、控制器、蓄电池等部件组成，其系统示意图如图1所示。其中控制器是整个系统的核心部分，主要完成最大功率点跟踪、蓄电池充电、负载供电和蓄电池保护等功能，其性能的好坏直接决定了整个光伏系统的性能[4]。

图1 多功能光伏发电系统示意图Fig.1 Schematic diagram of multifunctional photovoltaic power generation system

1.2 多功能光伏发电系统的工作原理

光伏组件或电池板的工作性能会受到室外高温的影响，根据集成类型，电池板的温度可达60～80℃，导致效率损失约20%[2]，因此冷却电池板将会提高转换效率。但是，基于空气或水的主动冷却系统不仅需要电能来驱动冷却系统而且也把废热浪费到了环境中。鉴于此种情况，本文提出了一种新型的解决方案，并将其做成百叶窗的形式，从而实现了光伏发电—建筑节能一体化。其工作原理及系统图如图2、图3、图4、图5所示。抛物型双面聚光板可根据室内采光通风需要调整开度，与普通百叶工作原理相同。

图2 百叶关闭时侧视图Fig.2 The louvers in closed mode

图3 百叶打开时侧视图Fig.3 The louvers in open mode

图4 光伏-热电混合模块Fig.4 PV-TE hybrid module

图5 百叶系统图Fig.5 Schematic diagram of the louver system

系统工作原理如下：当百叶处于闭合状态时，太阳光经过抛物型双面聚光板反射聚集在光伏组件上，通过光伏组件将光能转换为电能，随着光伏组件的工作，其温度不断升高，温度可高达80度，而周围环境温度仅有20多度，热电模块以光伏模块作为热端，环境温度作为冷端，在50多度的热电动势的驱动下将光伏组件产生的废热转换成电能。二者产生的电能通过导线在蓄电池中储存起来。

当需要采光时，根据实际需要将抛物型双面聚光板调至一定角度。一方面，太阳光通过正反两面光的反射照到室内；另一方面，光伏组件将直接照在其上太阳光转化为电能。热电模块仍然在冷热两端的热电动势的驱动下将光伏组件产生的废热转换成电能转换成电能。产生的电能通过导线储存在蓄电池中。

2 数学模型

2.1 光伏仿真模型

假设光伏组件最大功率点不变。用了一个简单的参数化模型，效率ηMPP（G，TM）是辐射量G和模块温度TM的函数[2]。温度对效率的影响是线性变化的，温度系数为α：

原则上，4个参数可由光伏组件制造商提供的数据表确定，或从作为光照的函数测量效率得到。a1，a2，a3为模块的具体参数。此研究中我们用从测量多晶硅模块得到的数据：a1=0.1894，a2=-0.04163 m2/W，a3=0.02158，α=0.4%/K[3]。

为了利用这个模型，模块温度需要从周围环境温度和辐射量确定，用模块温度TM和环境温度TA的温差与光照G成正比的假设。

系数取决于安装条件。

2.2 热电仿真模型

热电模块的效率可表示如下[4]：

卡诺效率定义为：

热电模块的平均温度Tavg为：

这里用了方程（3）效率ηTE取决于Z和操作温度TM和TA，因此也依赖于辐射量。

2.3 光伏-热电混合效率及发电量计算

入射太阳辐射由效率为ηPV的光伏组件转换，其余的热量假设由热电转换模块利用，转换效率为ηTE。因此，没有考虑通过模块边缘和前面的辐射损失。总发电量可以表示为[5]

混合系统的效率为

增加热电转换模块后，效率增加如图6所示。

图6 增加TE模块和不加时的效率分布图Fig.6 The efficiency comparison of module with TE and that without TE

由上述分析可知，光伏组件的输出特性受外界环境影响大，温度和光照辐射强度的变化都可以导致输出特性发生较大的变化。因此，充分利用光伏电池所产生的能量是光伏发电系统的基本要求。要解决这一问题，可在光伏发电系统中对光伏电池的最大功率点进行跟踪，以便更有效地利用太阳能[6]。

3 系统的优点及先进性分析

3.1 系统的优点

该系统具有以下优点：1）采用热电模块来冷却光伏组件，节省了常规冷却（传统的空冷或水冷）需要额外电力输入的能量的同时又产生了额外的电量，进而提高了整个系统的效率；2）光伏组件表面贴有一层氮化硅膜，降低光的反射，提高了光的利用率；3）采用高效抛物型双面聚光板，反射板将太阳辐射聚焦到光伏电池，减少了光伏电池的面积，结构紧凑，从而降低了太阳能发电的成本。在采光时，光通过抛物型聚光板的反射照进室内，改善了室内的光环境；4）把光伏-热电模块与百叶窗有效的结合起来，既兼顾了室内采光、通风的功能又节约了空间、使其在有无采光时都实现了光伏-热电联合发电，产生的电能节约了能源，而且大大提高了其民用的可行性；5）本系统利用太阳能来发电，不消耗不可再生能源；运转安静，可靠稳定寿命长，安装维护简便；对环境无污染，是一种绿色的发电技术；6）安装于室内，既不影响建筑外部美观，又节约空间，开启模式与关闭模式可灵活切换，满足适时需求，开启和关闭状态都可进行发电。

3.2 系统的先进性及可行性

3.2.1 系统的先进性

目前传统的太阳能发电装置通常需要专门的空间布置，占用空间资源，对于人口密集的城市不易推广。与目前通常使用的光伏组件相比，抛物聚焦型光伏—热电混合发电百叶，由于增加了热电转换模块，将光伏组件产生的废热又转换成了电能，既提高了系统总的转换效率又使能源利用最大化，减少了常规冷却需要电力输入的功耗，大大节省了能耗；同时，采用了抛物型双面聚光板，与平板型太阳能电池板相比，提高了太阳辐射利用率，减少了电池板面积，进而减少了电池板的初投资；巧妙利用玻璃幕墙的有效面积，能在采光和太阳能利用两者之间进行灵活转换；结构小型化，安装简便。

3.2.2 系统的可行性

本装置将太阳能作为发电的动力，减小了不可再生能源的供应压力，而且缓解了用电高峰期电力供电的压力。装置将热电转换模块与光伏组件相结合，将光伏组件产生的废热经热电转换模块再发成电，将光伏组件冷却的同时产生额外的电能，可使系统效率增加20%以上。将高效抛物型双面发射板用于该系统，提高系统效率的同时也减少了太阳能发电的成本。在高楼林立的城市中，使用建筑外表面采光，布置太阳能综合利用装置无疑是最理想的方案。随着地球资源的日益匮乏和基础能源成本的不断攀升，作为无污染且取之不尽的绿色能源，太阳能将会日益受到重视[7]。

4 结语

提出一种不同于传统冷却光伏组件的方法，即在光伏组件背面连接热电转换模块，可以利用与周围环境的温差的热电效应来产生额外的电力，从而达到一个光伏-热电混合动力系统较大的整体效率[8-10]。同时，该发电系统与建筑节能相结合，实现了光伏发电-建筑一体化。该装置无论是在家庭还是公司，国家机关还是私人企业，城市还是农村都可以得到使用。装置所产生的电能可以自给也可以将多余的电能卖给电力部门并入电网。太阳能的利用有利于缓解了能源危机带给我们的影响，保护环境[11-13]。该系统目前还没有大面积推广的一个主要原因是成本问题，因为合适的冷却系统要求不仅能够降低电池的表面温度，还要安装方便，使用起来稳定可靠，同时还要兼顾成本等方面的因素[14]，所以当务之急是开发出性能更好的热电转换材料。

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